Đang tải... (xem toàn văn)
LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay công nghệ nanô đang là ngành mũi nhọn được nhiều nơi tiến hành nghiên cứu và ứng dụng Các màng mỏng nanô được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như tạo ra các lớp bảo vệ cho[.]
LỜI MỞ ĐẦU Hiện công nghệ nanô ngành mũi nhọn nhiều nơi tiến hành nghiên cứu ứng dụng Các màng mỏng nanô ứng dụng nhiều lĩnh vực khác như: tạo lớp bảo vệ cho thiết bị vật liệu, màng diệt khuẩn, tạo sensơ Tại phòng Vật lý ứng dụng Khoa Vật lý Đại học Khoa học Tự nhiên Hà nội, nơi tiến hành chế tạo ứng dụng thành công công nghệ nanô màng mỏng TiO2 nhiều lĩnh vực Trong trình chế tạo màng mỏng nanô, việc đo đặc thông số điện màng quang trọng Các thơng số độ dẫn, điện dung, điện trở màng đặc trưng Qua cho phép đánh giá chất lượng màng, khảo sát thông số màng nghiên cứu chế tạo Nội dung luận văn nghiên cứu chế tạo thiết bị đo thông số điện mà tập trung nghiên cứu chế tạo thiết bị đo điện dung màng mỏng phụ thuộc vào điện áp đặt lên Đồng thời sử dụng senso màng mỏng nanô để chế tạo thiết bị đo điện trường Tất thiết bị chế tạo ghép nối với máy tính, thay đổi tham số tiến hành đo đặc lưu giữ xử lý Luận văn chia làm chương bao gồm: Chương I: Tổng quan số vật liệu nanơ Mục đích nêu khái lược vật liệu nanơ, ứng dụng cách chế tạo chúng Chương II: Hiệu ứng HALL Đây hiệu ứng sử dụng nhiều việc đo từ trường Trong chương đề cập đến để làm tiền đề lý thuyết việc chế tạo thiết bị đo từ trường với đầu đo dùng màng TiO2 Chương III: Kết thực nghiệm Đây nội dung luận văn, chúng tơi nêu kết nghiên cứu chế tạo thiết bị đo điện dung màng mỏng, thiết bị đo từ trường màng mỏng nanô sử dụng hiệu ứng HALL CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ VẬT LIỆU NANO 1.1 Tính chất Vật liệu nano TiO2 TiO2 kết tinh dạng thù hình Anatase, Rutile Brookit Trong dạng phổ biến Rutile Tuỳ theo điều kiện chế tạo mà thu vật liệu có pha khác pha tồn Cấu trúc TiO2 thường gặp Anatase Rutile Pha Rutile có biến dạng Orthohombic yếu cịn pha Anatase có biến dạng mạnh Chính điều dẫn đến pha Rutile có tính đối xứng cao pha Anatase Khoảng cách TiTi Anatase (3.79 Å 3.03 Å) lớn pha Rutile (3.57 Å 2.96 Å) Khoảng cách Ti-O Anatase (1.394 Å 1.98 Å) nhỏ Rutile (1.949 Å 1.98 Å) Trong cấu trúc Rutile Octahedra tiếp giáp với mười Octahedra lân cận Ở cấu trúc Anatase Octahedra tiếp xúc với tám Octahedra lân cận Những khác cấu trúc mạng TiO2 nguyên nhân dẫn tới khác mật độ cấu trúc vùng điện tử hai pha Anatase Rutile Điều quan trọng chế tạo TiO2 đơn pha Vùng dẫn vùng tạo thành mức 3d Ti vùng hố trị oxy (2p) hấp thụ ánh sáng có bước sóng λ < 380 nm (đối với pha Anatase) hay điện tử cấp lượng E ≥ 3.2 eV điện tử nhảy từ vùng 2p oxy lên vùng 3d Titan hình 1.1 e EC UV- ray 380 nm Anatase 410 nm Rutile - Ti+(3d) Vùng dẫn Eg = 3.2 eV Anatase 3.0 eV Rutile 1.2 Một số ứng dụng tiêu biểu Vật liệu nano TiO2 Đặc tính quang điện quang xúc tác độc đáo hấp dẫn Nano TiO2 ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác TiO2 vật liệu khơng có độc tính vật liệu hấp thụ tia cực tím chúng lại có khả phân huỷ mạnh chất độc hại có mơi trường sống (nước, khơng khí ) mơi trường sản xuất công nghiệp, nông nghiệp nuôi trồng thuỷ sản Trong lĩnh vực xây dựng cơng nghiệp, chế tạo máy, tạo cho cơng trình, vật thể, tính tự tẩy rửa chống mốc, chống ăn mòn, tạo cho vật liệu có tính bền học hóa học, đồng thời khử độc cho khí thải động Nanocomposit TiO2 bảo vệ bề mặt cơng trình, thiết bị chống nước mặn xâm thực Ngoài vật liệu TiO2 loại vật liệu lí tưởng cho khả ứng dụng lĩnh vực quang điện tử, spintronic bán dẫn Dựa tính chất quang điện quang xúc tác, nhà nghiên cứu sâu vào nghiên cứu loại vật liệu nhằm khai thác cách triệt để khả ưu việt nhằm phục vụ người Sau vài ứng dụng tiêu biểu vật liệu TiO2 số lĩnh vực cụ thể sống 1.3 Ứng dụng lĩnh vực môi trƣờng Dưới tác dụng tia cực tím, Nano TiO2 trở thành chất ơxy hố khử mạnh, chất đóng vai trò xúc tác cho phản ứng tách nước Các sản phẩm tạo thành ứng dụng pin nhiên liệu Vật liệu TiO2 ứng dụng làm nước khơng khí: Các chất hữu gây nhiễm tác dụng quang xúc tác TiO2 bị phân huỷ thành chất không độc hại H2O, CO2 Tác dụng khử độc làm nước TiO2 ứng dụng nuôi trồng thủy sản: Nước thải sau chu kỳ nuôi chứa nhiều độc tố gây hại nguồn gây bệnh Nên sau chu kỳ nuôi trồng cần phải thay nguồn nước Sử dụng TiO2 làm tác nhân khử loại độc tố trước thải nguồn nước môi trường điều cần thiết để bảo vệ môi trường sinh thái Điều làm hạn chế cách tối đa nguồn gốc gây dịch bệnh Sử dụng công nghệ khử độc tố dựa tính chất quang xúc tác TiO2 hứa hẹn thành công lĩnh vực nuôi trồng thủy sản nước ta, lĩnh vực mà nước ta có nhiều ưu Tính chất TiO2 cịn ứng dụng nhiều lĩnh vực khác khử độc tố chứa khí thải cơng nghiệp, nguồn nước thải công nghiệp TiO2 phủ bề mặt trộn vào dụng cụ lọc gốm, xốp, thuỷ tinh, nhựa, giấy lọc, vải tự làm sạch, chống gỉ chống mốc Tạo bề mặt tự tẩy rửa, khơng cần đến hố chất tác động học phủ tường, kính cơng trình xây dựng, xe Chế tạo loại kính khơng bị mờ trời mưa cho giao thông vận tải - Vật liệu TiO2 ứng dụng điện tử học Do có độ rộng vùng cấm lớn Eg= 3,2 eV nên màng TiO2 sử dụng cổng cách điện transistor trường (FET), để làm detector đo xạ Khi pha tạp thêm tạp chất thích hợp (như đất hiếm, photpho ) tạo nên mức lượng tạp nằm vùng cấm Ea, điện tử đồng loạt chuyển từ mức kích thích mức lượng phát xạ theo mong muốn Cửa sổ đổi màu hoạt động dựa nguyên lý Mức lượng tạp chuyển dời điều khiển nhờ điện trường tuỳ theo điều khiển điện trường ta có màu sắc thay đổi tức thời Vật liệu TiO2 ứng dụng làm sensor nhạy khí Đặc tính xốp màng TiO2 cho có khả hấp thụ khí tốt nhiều nhóm nghiên cứu để làm sensor khí xác định nồng độ rượu Màng TiO2 với cấu trúc pha rutile nhạy khí O2 nên sử dụng để xác định nồng độ O2 lò luyện kim Vật liệu màng mỏng với TiO2 pha thêm hạt sắt từ hay gọi bán dẫn từ lỗng Chúng có lượng từ dị hướng cao moment từ vng góc với mặt phẳng Đây tính chất quý báu vật liệu ghi từ vng góc vật liệu có khả lưu giữ thông tin với mật độ lớn Màng mỏng từ đa lớp có từ trở khổng lồ sử dụng để đo từ trường thấp Những tính chất quý báu ứng dụng điện tử tin học - Vật liệu TiO2 ứng dụng để làm pin mặt trời Pin mặt trời truyền thống sử dụng thường chế tạo từ vật liệu Silic đòi hỏi công nghệ phức tạp, giá thành cao, tuổi thọ chưa cao hiệu suất chuyển hố quang điện cịn thấp Màng mỏng TiO2 nano xốp có bề mặt hấp thụ tăng lên đến khoảng 1000 lần, sử dụng làm điện cực pin mặt trời Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo giá thành thấp, dễ phổ cập rộng rãi, giải pháp lượng môi trường cho tương lai Trước ứng dụng quan trọng, đa dạng phong phú, vật liệu TiO2 nhiều nước giới quan tâm nghiên cứu chế tạo 1.4 Tình hình nghiên cứu chế tạo màng điện cực TCO nƣớc Màng bán dẫn suốt dẫn điện nghiên cứu từ lâu (chúng ta tìm thấy tài liệu từ năm 1985 ) ngày phát triển tính chất đặc biệt nhạy quang, nhạy khí nghiên cứu để ứng dụng sensor nhạy khí, loại gơng nóng, tính chất từ ý Ứng dụng quan trọng màng điện cực suốt dẫn điện phận thiếu thiết bị quang điện có ảnh hưởng lớn tới chất lượng thiết bị Đặc biệt điện cực cho pin mặt trời Vì có nhiều cơng trình nghiên cứu tính chất ứng dụng TCO Các vật liệu quan tâm nhiều màng ITO (IndiumTin Oxide), FTO (Fluorine – doped Tin Oxide, màng kẽm ơxít, đặc biệt AZO (Al – doped Zinc Oxide) Phẩm chất màng TCO đánh giá qua điện trở, độ truyền qua, độ phản xạ, độ bám dính, độ bền hố học Màng TCO với tính chất mong muốn chế tạo nhiều phương pháp Về chia làm hai phương pháp: Phương pháp Vật lý phương pháp Hố học Các phương pháp có ưu điểm nhược điểm riêng Nhìn chung phương pháp Vật lý cho chất lượng màng tốt, độ bám dính độ tinh khiết cao, đòi hỏi điều kiện chế tạo nghiêm ngặt như: Độ chân không cao, độ môi trờng cao; phương pháp Hoá học đơn giản dễ thực mà cho chất lượng màng tốt, tương đương với phơng pháp Vật lý Ngồi cịn số phương pháp chế tạo xử lý mẫu thiêu kết, ủ nhiệt, tạo ảnh hưởng tích cực tới đặc trưng màng TCO 1.5 Các phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano thông dụng 1.5.1 Phƣơng pháp vật lý Các phương pháp vật lý dùng để chế tạo vật liệu màng, vật liệu nano thường dựa nguyên tắc giảm kích thước Theo vật liệu dạng khối ban đầu bị phân tán nhỏ trình vật lý sau xếp, lắng đọng lên chất phù hợp Đây phương pháp chế tạo cho ta màng vật liệu có chất lượng cao, ứng dụng thực tế gặp khó khăn giá thành cao, thiết bị q khó thực - Phƣơng pháp bay ngƣng kết chân không Đây phương pháp sử dụng tương đối rộng rãi sử dụng để tạo màng TiO2 Nguyên tắc chung đốt nóng vật liệu làm cho bốc bay ngưng kết đế Ta sử dụng mặt nạ để chế tạo vật liệu có dạng theo ý muốn Chân không cao buồng bốc bay nhằm tránh tác dụng tán xạ vật liệu khí dư trình tạo màng, khơng gây tạp chất ngồi ý muốn vật liệu - Phƣơng pháp phún xạ catốt Đây phương pháp thông dụng ưu điểm trội Phương pháp dùng để bốc bay hợp chất Vật liệu bốc bay bắn phá ion khí trơ tạo thành từ trạng thái plasma anốt catốt Chính vậy, ngun tử bốc bay có lượng lớn bám dính vào đế tốt Hơn nữa, nguyên tử thoát khỏi từ bề mặt với xác suất nên màng tạo thành hợp thức có độ đồng cao 1.5.2 Phƣơng pháp hoá học Đây phương pháp tổng hợp từ các phân tử để tạo thành vật liệu với kích thước hạt theo mong muốn Phương pháp có ưu điểm khơng địi hỏi thiết bị đắt tiền hệ chân không cao, hệ phún xạ… Năng lượng tiêu tốn thấp.Trong phương pháp người ta thường dựa nguyên tắc kết hợp hoá học nhờ số phản ứng thuỷ phân, nhiệt phân, phản ứng oxy hoá - khử để chế tạo vật liệu Do trình cách thức chế tạo vật liệu ảnh hưởng mạnh đến cấu trúc, tính chất nhiều thơng số khác vật liệu thông thường người ta phân loại phương pháp dựa cách thức chế tạo vật liệu - Phƣơng pháp điện hoá 10 Phương pháp anốt hoá: Đây phương pháp dựa phản ứng oxy hoá - khử điện cực để tạo màng với độ dày theo ý muốn sử dụng rộng rãi công nghiệp Phương pháp dùng chủ yếu để tạo màng ôxít kim loại Al, Ta, Nb, Ti, Zr, Bằng phương pháp điện hoá người ta chế tạo tổ hợp Ti-TiO2-Pt có cấu trúc điơt với hệ số chỉnh lưu 109 - Phƣơng pháp sol – gel Phương pháp sol-gel cho phép chế tạo hệ bán dẫn kích thước nhỏ chất lượng cao từ chất tiền định phân tử (Molecular precusors) ban đầu thông qua thơng qua phản ứng polymer hố vơ Đây phương pháp sử dụng rộng rãi để chế tạo oxit vơ phương pháp hố học dung dịch(wet chemistry) - Phƣơng pháp CVD Bằng phương pháp hóa lý người ta tạo vật liệu dạng cho ngưng đọng bề mặt chất rắn để có lớp phủ Khi ngưng đọng có phản ứng hóa học xảy nên không thiết vật liệu lớp phủ phải giống vật liệu pha - Phƣơng pháp phun dung dịch đế nóng: Trong phương pháp này, dung dịch muối chứa thành phần hợp chất phun, lắng đọng đế nóng bị oxi hoá thành oxit kim loại Thành phần màng thay đổi thay đổi thành phần dung dịch phun Khí nén tạo áp suất thường khí trơ khơng khí Phương pháp cho phép tạo màng có diện tích rộng, độ bám đế tốt, khả đồng cao Mặt khác, thiết bị sử dụng đơn giản nên phương pháp kinh tế Tuy nhiên, phương pháp có hạn chế tạp chất mơi trường ảnh 11 hưởng tới chất lượng vật liệu Điển hình phương pháp công nghệ chế tạo màng ITO, màng SnO2 cho pin mặt trời Trong công nghệ nà vấn đề đo khống chế nhiệt độ đóng vai trò định đến phẩm chất màng nano TiO2 12 ... nội dung luận văn, chúng tơi nêu kết nghiên cứu chế tạo thiết bị đo điện dung màng mỏng, thiết bị đo từ trường màng mỏng nanô sử dụng hiệu ứng HALL CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ VẬT LIỆU NANO 1.1... màng điện cực suốt dẫn điện phận thiếu thiết bị quang điện có ảnh hưởng lớn tới chất lượng thiết bị Đặc biệt điện cực cho pin mặt trời Vì có nhiều cơng trình nghiên cứu tính chất ứng dụng TCO Các. .. ứng phụ nên điện áp đo không điện áp Hall mà tổng điện áp xuất V VH Vi i Trong VH điện áp Hall, Vi điện áp phụ thành phần Trong điện áp phụ đáng ý điện áp sau đây: 2.2.1 Điện bất đối